骨科植入物的微動摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

1、骨科植入物的微動摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展摘 要: 骨科植入物在人體中的微動會引起植入物的磨損導(dǎo)致?lián)p傷，造成骨科手術(shù)的失敗 本文介紹了植入物微動摩擦學(xué)的類型、研究方法、磨損機(jī)理及改善措施，詳細(xì)闡述了當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于骨科植入物微動摩擦學(xué)的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究成果 建立 1 套可準(zhǔn)確獲得界面微動真實(shí)分布的科學(xué)方法，將有助于深入研究人體中界面微動，而將骨組織的生長模型與力學(xué)特性相結(jié)合，建立適于描述人體中植入物 骨組織的界面微動模型，對臨床治療及骨科植入物的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有非常重要的意義關(guān)鍵詞: 骨科植入物; 微動摩擦學(xué); 松動; 磨粒; 生物摩擦學(xué)摩擦學(xué)( Tribology) 是有關(guān)摩擦、磨損和潤滑科學(xué)的總稱，

2、是研究摩擦和磨損過程中 2 個(gè)相對運(yùn)動表面之間相互作用、變化及其有關(guān)的理論與實(shí)踐的1 門學(xué)科1，最初僅限于有關(guān)理學(xué)或工學(xué)方面的摩擦問題，還未擴(kuò)大到生物學(xué)領(lǐng)域2 隨著摩擦學(xué)研究的不斷擴(kuò)展，生物摩擦學(xué)( Biotribology) 的概念應(yīng)運(yùn)而生 生物摩擦學(xué)是研究所有與生物系統(tǒng)相關(guān)的摩擦學(xué)問題3，分為人體摩擦學(xué)和動物仿生摩擦學(xué)兩類 當(dāng)前世界上生物摩擦學(xué)研究以人體摩擦學(xué)研究為主，研究內(nèi)容包括人工關(guān)節(jié)的潤滑、皮膚的摩擦性能以及移植物假體的磨損等多個(gè)方面，其中以對人工關(guān)節(jié)等骨科植入物的摩擦學(xué)行為研究最多 骨科植入物在骨科手術(shù)中已得到廣泛使用，以人工關(guān)節(jié)為例，我國骨關(guān)節(jié)炎患者達(dá)3 600 4 000 萬，

3、其中100 150 萬患者需要實(shí)施人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)4目前人工關(guān)節(jié)的主要失效形式是無菌松動，引起早期假體無菌松動的主要原因是應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，而引起晚期假體無菌松動的主要原因是關(guān)節(jié)假體之間、假體與骨組織之間的微動及其磨損產(chǎn)生的磨屑5 7微動( Fretting) 是指在機(jī)械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環(huán)等交變載荷作用下，接觸表面間發(fā)生的幅度極小的相對運(yùn)動( 位移幅度一般為微米量級)8 9 不同于滾動和滑動摩擦副，微動摩擦副的表面通常是相互固定的，無明顯的相對位移 與工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)提出的微動量級相近，骨科植入物 骨組織界面在外加載荷作用下會發(fā)生 200 m 的相對位移，稱為動度( Micromotion

4、)10，但不同于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的微動 影響植入物與人體組織之間發(fā)生微動的因素更多更復(fù)雜，摩擦面所處的生化環(huán)境與機(jī)械結(jié)構(gòu)也存在很大不同 本文就骨科植入物，特別是人工關(guān)節(jié)的微動問題展開了討論，從骨科植入物的微動類型、研究方法、機(jī)理以及改善植入物微動的措施4 個(gè)方面，對骨科植入物的微動摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述1 骨科植入物的微動類型微動摩擦學(xué)中，習(xí)慣將微動分為微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕 3 種模式11 按照微動時(shí)不同的相對運(yùn)動方向，可以將微動劃分為切向微動、徑向微動、滾動微動和扭動微動 4 種基本微動運(yùn)行模式( 見圖 1) ，實(shí)際中的微動現(xiàn)象十分復(fù)雜，可能是幾種基本模式相結(jié)合的復(fù)合微動12 13 對于

5、植入物 骨組織界面發(fā)生的微動，微動磨損產(chǎn)生的影響較大 工程上的微動磨損機(jī)理認(rèn)為，發(fā)生微動的界面在外界載荷作用下發(fā)生摩擦，導(dǎo)致表面氧化膜破壞，使得金屬晶格直接接觸從而發(fā)生黏著磨損，產(chǎn)生的磨粒停留在微動界面上，進(jìn)一步形成磨粒磨損及表面疲勞破壞，最終導(dǎo)致構(gòu)件失效在包含有人體組織在內(nèi)的微動界面中，由于骨組織的可修復(fù)能力及生化特性，使得微動磨損和疲勞的內(nèi)涵與過程更為復(fù)雜 一方面由于微動磨損中產(chǎn)生的磨粒引起生物免疫反應(yīng)，大量巨噬細(xì)胞聚集在界面吞噬磨粒，會刺激骨組織破骨細(xì)胞的生成，發(fā)生骨溶解，導(dǎo)致微動界面基體發(fā)生改變; 另一方面，過大的微動幅度會導(dǎo)致在界面上生成纖維軟骨組織，最終在植入物和骨組織間生成纖維軟

6、骨組織層，使植入物與骨組織之間不能緊固連接 另外，由于骨組織材料具有的自我修復(fù)功能，微動疲勞導(dǎo)致的裂紋在一定程度內(nèi)會得到修復(fù)，而不會出現(xiàn)類似機(jī)械零件中裂紋逐漸累積而破壞的情況按照發(fā)生微動的基體不同，可以將人體中骨科植入物的微動分為 3 種類型14: 植入物與人體組織界面間形成的微動摩擦副，如人工關(guān)節(jié)柄與宿主骨間，固定螺釘與皮質(zhì)骨間等; 植入物零件之間的微動摩擦副，如組配式人工關(guān)節(jié)的零件之間、人工關(guān)節(jié)的涂層與基體之間等; 人體組織之間的微動摩擦副，如在韌帶重建術(shù)中自體移植物的骨端與韌帶附著骨的骨道間等 植入物與人體組織的微動摩擦副主要是由植入物與骨組織之間進(jìn)行固定時(shí)而形成的，目前骨科植入物的固定

7、形式主要有 2 種: 骨水泥固定和生物型( 非骨水泥) 固定 在骨水泥固定中，植入物與人體組織間使用骨水泥進(jìn)行填充和連接，骨水泥進(jìn)入松質(zhì)骨的空隙里，與骨組織進(jìn)行緊密連接，從而成功地固定植入物，此種形式中存在植入物 骨水泥和骨水泥 骨組織 2 種界面情況 但是骨水泥在 骨科植入物的微動摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展103骨和植入物間只形成表面的黏合，骨水泥中仍可能出現(xiàn)老化、裂縫及形成磨損顆粒等問題，不能徹底保證植入物的長期固定 在生物固定中，植入物與骨組織直接接觸，通過松質(zhì)骨骨小梁結(jié)構(gòu)生長進(jìn)入植入物表面的微孔中，進(jìn)而完成植入物的固定，該種固定中僅存在植入物 骨組織 1 種界面 有文獻(xiàn)報(bào)道，生物固定型具有良

8、好效果，也正在臨床中得到更多的應(yīng)用152 骨科植入物微動的研究方法目前，對骨科植入物微動摩擦學(xué)特性的研究主要采用試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬 2 種方法 其中，試驗(yàn)測量方法主要分為局部微動點(diǎn)測量和全局微動分布測量兩類，而數(shù)值模擬方法主要通過諸如有限元方法( Finite Element Method，F(xiàn)EM) 等仿真骨 假體界面的微動效果來研究骨科植入物的微動摩擦學(xué)特性局部微動點(diǎn)測量主要是通過固定在若干點(diǎn)上的位移測量儀器對試驗(yàn)對象在某載荷下的微動進(jìn)行測量，獲得的是某個(gè)或某幾個(gè)點(diǎn)的微動情況，使用的測量儀器如千分尺16 17、引伸計(jì)18 20、線性可變微分位移傳感器( Linear variable dif

9、ferential transducer，LVDT)21 26、高 分 辨 率 CCD ( Charge coupleddevices)27等 Markolf 等18使用引伸計(jì)對比了幾種骨水泥固定型假體的界面微動值 試驗(yàn)前先在股骨上打孔，將金屬銷通過該孔與假體的端部進(jìn)行連接引伸計(jì)的兩端分別固定在金屬銷和股骨上，可以測量假體 骨界面上某個(gè)方向的微動量 Burke 等20改進(jìn)了引伸計(jì)與股骨組織的固定方式，將同心的圓柱鋼釘及空心鋼圈分別固定在微動界面的假體和股骨基體上，通過改變引伸計(jì)的測量方向，可以測量同一點(diǎn)的軸向和環(huán)向微動隨著研究深入，引伸計(jì)的測量精度及范圍已不能滿足試驗(yàn)的測量要求，許多學(xué)者使用更

10、高精度的LVDT 位移傳感器開發(fā)出可以測量多自由度位移值的界面微動測量裝置 Gilbert 等21分別使用 3 個(gè)和4 個(gè) LVDT 傳感器與假體的近端和遠(yuǎn)端固定，測量了假體近、遠(yuǎn)兩端界面上微動的 3 個(gè)線位移及 1 個(gè)相對角位移，用兩點(diǎn)位移的平均值表征假體的整體微動位移 在 Berzins 等22設(shè)計(jì)的六自由度微動位移測量裝置中，將假體遠(yuǎn)端的金屬柄與 3 個(gè)鋼球固定在一起，通過鋼球與 LVDT 位移傳感器的接觸獲得樣本 6 個(gè)自由度下的位移值( 見圖 2) Maher等26采用同樣的原理搭建了 1 套疲勞載荷下的假體微動測量裝置 然而，該種測量方案中假設(shè)假體和骨組織均為剛體，傳感器的測量值即

11、為界面微動值，忽略了假體和骨組織的彈性變形影響研究證明，假體和骨組織的彈性形變占所測位移的 10% 25%21，其影響不應(yīng)被忽略22，24; 當(dāng)測量循環(huán)載荷下的微動時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間小于 1 h 的情況下溫度的影響才能被忽略 近幾年，一些學(xué)者對已有的局部微動點(diǎn)測量方法提出了改進(jìn) 如采用高分辨率 CCD 觀測標(biāo)定點(diǎn)的方法獲得界面微動值27等 Ebramzadeh等28搭建了具有小位移、可控載荷及動態(tài)加載特點(diǎn)的銷盤式植入物界面微動測量設(shè)備，解決了現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)加載位移量遠(yuǎn)大于假體 骨界面實(shí)際微動值的弊端 另外，有的學(xué)者探索了使用局部點(diǎn)測量與有限元模擬相結(jié)合的方法，利用試驗(yàn)測量值驗(yàn)證模型的有效性，通過有限元模

12、擬獲得了界面的微動分布情況25Fig 2 Femur prosthesis 6 degree of freedommicromotion measurement apparatus22圖 2 股骨假體六自由度微動測量裝置22全局微動分布測量主要是通過非接觸的測量方式獲得試驗(yàn)對象的微動分布情況，如使用 Micro CT29、核磁共振成像30等獲得植入物 骨界面的微動分布，有利于對微動的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理進(jìn)行深入研究，為假體細(xì)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供力學(xué)參考 Conroy等30采用高分辨率核磁共振成像技術(shù)對假體 骨界面上松質(zhì)骨內(nèi)的滲透液微流動情況進(jìn)行觀測 研究證明，界面發(fā)生微動時(shí)會導(dǎo)致松質(zhì)骨內(nèi)液體的滲出及滲透

13、液界面流動，改變界面的力學(xué)環(huán)境，對細(xì)胞的遷移、分化產(chǎn)生影響31 32 Gortchacow 等29使用Micro CT 獲得了假體 骨界面微動的三維分布，精度可達(dá) 10 m 以下 但采用圖像處理方法對微動進(jìn)行測量，測量精度會受到灰度提取及圖像分割等處理方法的影響; 由于 Micro CT 的重建掃描需要20 min，該過程中需保證載荷變化不大于 1% ，才能1 04摩 擦 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 32 卷使微動的變化值小于 0 1 m，從而達(dá)到試驗(yàn)要求的測量精度，但使用這種方法測量黏彈性材料的有效性還未得到驗(yàn)證數(shù)值 模 擬 方 法 主 要 包 括 微 動 骨 長 入 模型69，74和有限元模型40 4

14、4兩方面 微動 骨長入模型方面主要是研究微動等因素與假體骨長入的耦合關(guān)系，構(gòu)建微動 骨長入數(shù)學(xué)模型來模擬不同微動條件下的假體骨長入情況69，74 Folgado 等74構(gòu)建了微動 骨長入( 分化) 數(shù)值模型，對全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中生物型固定假體表面的骨長入情況進(jìn)行了仿真模擬 Lacroix 和 Prendergast68、Liu 等69對骨組織在假體表面的分化長入情況進(jìn)行了模擬，研究了骨分化及長入與界面微動和應(yīng)力之間的關(guān)系 有限元模型方面主要是建立假體及骨組織的有限元模型，對假體在骨組織中的微動情況及力學(xué)分布進(jìn)行仿真 在有限元模型中，假體與骨組織間的相互作用是通過設(shè)定不同的摩擦系數(shù)來模擬的71，7

15、6，而對骨組織力學(xué)性能的設(shè)定，或?qū)⑵湓O(shè)定為各向同性的均勻材料43，或通過 Micro CT 構(gòu)建松質(zhì)骨的骨小梁結(jié)構(gòu)44，或根據(jù)灰度值的不同來描述骨組織不同的彈性模量74 Hefzy 和 Singh78在 2 種不同非線性單元對界面微動和應(yīng)力分布影響的對比研究中發(fā)現(xiàn): 使用不同的單元模擬會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響Pettersen 等71也發(fā)現(xiàn): 基于個(gè)體構(gòu)建的有限元模型不能準(zhǔn)確地預(yù)測出界面微動位移的大小，但可以有效地模擬研究假體的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，用于假體的改進(jìn)設(shè)計(jì)及手術(shù)前的力學(xué)分析3 骨科植入物的微動機(jī)理植入物與骨組織界面上產(chǎn)生的微動現(xiàn)象非常復(fù)雜，既包括微動疲勞、磨損產(chǎn)生的損傷和磨屑，從而造成界面微動情況的進(jìn)一步惡化，又包括由人體免疫和修復(fù)等生物學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的界面生化環(huán)境變化、骨組織的溶解等諸多問題出現(xiàn) 總的來說，植入物 骨組織界面微動的成因可歸為力學(xué)和生物學(xué)兩方面的因素，2 種因素之間存在相互影響，形成了非常復(fù)雜的耦合關(guān)系由于植入物與周圍骨組織的彈性模量不同，相同載荷下變形不同，導(dǎo)致行走過程中植入物 骨或骨水泥 骨界面上出現(xiàn)相對微動33 實(shí)際情況中，由于行走過程中植入物所受的復(fù)雜載荷及植入物的設(shè)計(jì)、周圍骨組織不同的力